6.2.2. Отвод тепла в корпусах ппи
Для отвода тепла от кристалла к корпусу существуют различные способы и устройства. В первую очередь это выбор материала с высокой теплопроводностью - табл. 6.2.
Таблица 6.2
Коэффициенты теплопроводности материалов
Материал |
Алмаз |
Al |
Сталь |
Cu |
SiC |
Al2O3 |
BeO |
AlN |
λ, Вт/(м·К) |
2000 |
209 |
47 |
384 |
100 - 490 |
22 - 30 |
220 - 240 |
140 - 180 |
Использование для отвода тепла металлов (Cu, Al и др.) приводит к возникновению значительных механических напряжений вследствие большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металлов и Si (или SiO2) - в 5 – 10 раз. Это может привести к выходу из строя приборов. Кроме того, теплоотводы из меди и алюминия в несколько раз превышают по размерам охлаждаемый элемент. Из-за разницы ТКЛР медь используется в паре с молибденом (ТКЛР меди 16,5·10-6 К-1, Si – 2,5·10-6 К-1, SiO2 – 0,55·10-6 К-1, молибдена - 5·10-6 К-1).
Изолирующими теплоотводами являются керамика на основе BeO, керамика на основе AlN, природный и синтетический алмазы.
Производство BeO- керамики очень токсично, поэтому требуется поиск экологически чистых материалов с требуемыми свойствами. Керамика на основе AlN не выпускается отечественной промышленностью.
Использование алмаза как теплоотвода теоретически снижает тепловое сопротивление в 5 раз в сравнении с медью. Практическое использование природного алмаза снизило тепловое сопротивление в 1,2 – 1,8 раза, синтетического – в 1,2 – 1,3 раза. Искусственные алмазы, созданные методом высокого давления, имеют незначительные размеры. Проблема получения алмазных поликристаллических пластин была решена при применении CVD-метода (Chemical Vapor Depositions). Он основан на разложении углеводородов в смеси с водородом и осаждением алмаза на нагретой подложке. Таким образом получают пластины диаметром до 300 мм. Монтаж кристалла на теплоотвод проводится эвтектическим сплавом Au-Ge при температуре 420 . Теплоотвод с кристаллом монтируется на фланец корпуса из медного сплава МД-50. Для согласования ТКЛР между ними помещают пластичный материал – свинцово-индиевый припой ПСИн-12. Другой вариант конструкции – металлизация поверхности алмаза. Для адгезионного слоя используют Ti или Ta, для проводящего слоя металлизации – Ni и его сплавы. Для нанесения слоев используется ионно-лучевое и магнетронное распыление. Конструкция алмазного теплоотвода показана на рис. 6.9. Алмазопободная пленка АПП нанесена на металлический хладопровод, TiC или Ti адгезионный слой толщиной 0,05 – 0,1 мкм, Ni или монель (Ni + 18 % Сu) - токопроводящий слой толщиной 0,3 – 0,8 мкм.
Рис. 6.9. Конструкция алмазного теплоотвода
Алмазы используются и в составе композиционных материалов: никелевое покрытие с алмазным порошком наносится на медный корпус прибора с помощью припоев.
Для отвода тепла от кристалла широко применяется DBC-керамика (Direct Bonded Copper). В качестве керамики чаще всего используется AlN. Применение такой керамики снижает тепловое сопротивление вдвое – рис. 6.10. Комбинированная структура медь – керамика имеет ТКЛР, слегка превышающий его значение для керамики (7,2 – 7,6·10-6 К-1). Это позволяет монтировать силовые ППИ напрямую, не используя компенсационных слоев. Технология производства DBC, использующая чистую медь, дает возможность получать интегрированные токовыводы.
Рис. 6.10. Распределение тепла в конструкции с медным основанием
и с DBC-керамикой: 1 – полупроводниковый кристалл; 2 – слой припоя;
3 – медное основание; 4 – изолятор из слюды; 5 - DBC-керамика (состоит
из трех слоев); 6 – радиатор (основание силового модуля)
Технология получения переходных отверстий в сочетании с интегрированными токовыводами позволяет разрабатывать герметичные корпусы небольшого веса с улучшенными температурными показателями. Сопротивления в переходных отверстиях составляют значения менее 10-4 Ом, поэтому нет ограничений по силе тока. Многокристальные мощные модули с RT менее 30 К/кВт имеют интегральный трехмерный теплоотвод жидкостного охлаждения, собранный по DBC-технологии.